CN1922401B - 压电泵驱动电路和使用该驱动电路的冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种既轻质又紧凑的压电泵驱动电路，能够在低干扰噪声水平上驱动压电泵，还可以以低功耗实现一种能够在激励时进行可靠工作的冷却剂设备。由放大器输出信号来驱动压电泵中的压电元件，其中放大器以驱动压电元件的相同频率的正弦波振荡器所产生的信号作为输入。放大器由通过电压升压转换器从低电压电源转换而得到的高电压来驱动，因此，压电元件由高电压的低频正弦波驱动。正弦波振荡的频率在激励时还由来自第一控制电路的信号进行调节。此外，正弦波振荡的幅度由第二控制电路的输出信号来调节，其中，第二控制电路以来自用于感测热发生体温度的温度传感器的信号作为输入。
Description
技术领域
本发明涉及一种在用于冷却电子元件的热发生体的冷却设备中使用的压电泵驱动电路，还涉及一种使用该驱动电路的冷却系统。
背景技术
例如，在笔记本电脑中使用用于高速处理的处理器，并且需要冷却设备来减少由处理器产生的热量所引起的温度升高。在现有技术领域中采用的这样一种冷却方法是水冷法，使用JP-A-2001-355574中描述的一种压电泵。
当使用压电泵时，需要大约100V电压左右的交流电作为驱动电压，以便在使压电泵中使用的压电材料发生形变时产生较大的位移。此外，由于根据压电泵的位移而工作的阀门的响应，驱动频率在几十到几百Hz的低频。
使用采用压电泵的冷却设备的电子仪器的电源具有较低的电压，例如+5V。因此需要转换电路，作为压电泵的压电元件驱动电路，用以从低电压电源产生在较高电压上具有较低频率的电能。
通常，低频变压器用作上述转换电路，但是使用低频变压器增加了设备的尺寸并且必需较大的封装空间，因此当用于要求紧凑薄巧形式的移动设备中时产生了问题。作为该问题的一种解决方案，JP-A-2002-339872公开了一种驱动压电泵的驱动方法。图1是示出了JP-A-2002-339872所提供的电路配置的示意框图，图2是更加详细地示出了该电路配置的框图，图3是示出了该电路工作时每个部分波形的波形图。
下面参考图1，对JP-A-2002-339872中提出的电路进行解释。在图1中，振荡器111产生具有规定频率的第一时钟信号和第二时钟信号。第一时钟信号的频率与驱动压电泵的压电元件101的驱动频率相匹配，第二时钟信号是考虑放大器102的放大效率而设置的比第一时钟信号频率更高的载波信号。在该电路中，第一时钟信号的频率被设定为50Hz，第二时钟信号的频率被设置为14kHz。
调制器112使用与压电元件101的驱动信号相匹配的第一时钟信号，对第二时钟信号组成的载波进行AM调制，来产生调制波信号。该调制波信号作为输入被提供给放大器102，用以实现信号放大。经放大的调制波信号作为输入被提供给解调器113，从而与第一时钟信号具有相同频率的被放大的调制信号(泵驱动信号)被提取出来，并被施加到压电元件101的电极上。
根据上述配置，放大器102放大比第一时钟信号频率更高的第二时钟信号。换句话说，放大了第二时钟信号，并实施了调制过程，来产生期望的驱动信号，而不是直接放大第一时钟信号，并且由于没有直接放大低频信号，放大器102的复杂性、尺寸和成本的增加的问题得以避免。特别地，JP-A-339872表明了通过使用高频变压器作为放大电路，可以实现更紧凑且更轻便的组件。
下面参考图2和图3来解释这种设备的工作细节。
在图2中，114是分频器，115是非电路，116是第一与电路，117是第二与电路，102a是第一放大器，102b是第二放大器，113a是第一解调器，113b是第二解调器。
振荡器111产生14kHz的第二时钟信号。第二时钟信号被分路，并且作为输入被提供给分频器114、第一与电路116和第二与电路117中的每一个。作为输入被提供给分频器114的信号被分频至压电元件101的驱动频率，来产生频率为55Hz的第一时钟信号。第一时钟信号被分路，一部分被直接作为输入提供给第一与电路116，另一部分经过非电路115被作为输入提供给第二与电路117。与电路116及117实现了AM调制。两个调制波信号作为输入被分别提供给第一放大器102a和第二放大器102b，用以经过放大，然后分别经过第一解调器113a和第二解调器113b来驱动压电元件101。
图3示出了图2中点A、B、C和D处的信号波形以及施加到压电元件上的信号波形。如图3(A)所示，A点处的信号是第二时钟信号，是在振荡器111处产生的信号，并且是调制过程中的载波。点B处的信号是对第二时钟信号分频后得到的第一时钟信号，并且是频率与泵驱动频率相同的信号。该信号是调制过程中在调制前的驱动信号。此外，第二时钟信号的反相信号被作为输入提供给第二与电路117。如图3(C)所示，点C处的信号是通过利用第二时钟信号作为载波来调制第一时钟信号而得到的调制波。如图3(D)所示，点D处的信号是通过利用第二时钟信号作为载波来调制第一时钟信号的反相信号而得到的调制波。
点E处的信号是由第一解调器113a解调调制波而得到的信号，点F处的信号是由第二解调器113b解调调制波而得到的信号，它们的差动信号被作为输入提供给压电元件101，从而驱动压电元件101。
发明内容
本发明解决的问题
本发明要解决的第一问题是从压电泵产生较大振动噪声以及因此而产生的设备不能用于要求无噪声的工作环境的问题。尽管压电泵的驱动波形的频率比声频频率要低，因为驱动波形包括在声频波段内的谐波频率成分，并且因为驱动波形不是正弦波，所以产生振动噪声。谐波成分的振动产生了不希望的噪声。
第二问题是，在激励电源时，由于来自压电泵的压力不足，不能启动液体循环。这个问题的发生是因为电子装备的温度变化或液体通道中的压力变化引起了例如液体中包含的氧的凝聚，并因此在冷却剂的液体通道中产生了气泡。这些气泡残留在压电泵的泵室中，因此吸收了压力并减少了从泵传输到液体的压力。
第三问题是，当热发生体(即，要冷却的电子元件)没有产生热时，由压电泵和驱动电路的工作而产生的无意义的功率消耗。
考虑到现有技术中的上述问题来实现本发明，本发明的目的是提供一种压电泵驱动方法，可以减少压电泵的尺寸和重量。
本发明的另一个目的是提供一种能够减少噪声的压电泵的驱动电路。
本发明的另一个目的是提供一种压电泵的驱动电路，能够在激励电源时可靠地开始工作，因而实现了对可靠性的改进。
本发明的另一个目的是提供一种能够实现更低功率消耗的压电泵的驱动电路。
解决问题的手段
本发明的压电泵的驱动电路包括：
正弦波振荡装置，用于产生驱动压电泵的压电元件的频率的正弦波信号；
电压升压装置，用于将低电压电源转换到高电压；
放大装置，由电压升压装置所产生的高电压驱动，用于放大正弦波振荡装置所提供的信号，并用于通过高电压正弦波来驱动压电元件。
在这种情况下，放大装置可以由以下组件构成：D类放大器，在由电压升压装置所产生的高电压上被驱动，并且使正弦波振荡装置所提供的信号经过脉冲宽度调制，来实现放大；以及低通滤波器，用于解调D类放大器的输出信号。
驱动电路还可以包括第一控制装置，用于在激励正弦波振荡装置时实现可变频率控制。
驱动电路还可以包括：用于感测温度的温度感测装置；用于根据温度感测装置感测到的温度来调节正弦波振荡装置的信号幅度的第二控制装置。
根据本发明的冷却系统包括：
根据上述驱动电路之一的压电泵驱动电路；
与热发生体接触的散热器；
用于向外辐射热的辐射器；
冷却剂循环通道，被连接使得冷却剂在散热器和辐射器之间循环；以及
压电泵，由压电泵驱动电路驱动，用于使冷却剂在冷却剂循环通道中循环。
在如上所述配置的本发明中，本发明的目的是通过以下步骤而实现的：利用正弦波来驱动压电泵的压电元件，在激励时调节驱动频率，以及当不需要冷却时调节电压升压转换器的输出电压和正弦波形振荡器的幅度。
在本发明中，压电泵的压电元件以来自正弦波振荡装置的正弦波信号作为输入，并由放大装置所放大的正弦波驱动，因此，不会产生不希望的噪声。此外，直接放大正弦波振荡装置产生的正弦波意味着直接驱动压电元件，而不需要在放大装置输出端用于解调的特殊滤波器，因此，减少了组件的数量，并实现了更加紧凑的配置。
此外，放大装置的电源在通过使用电压升压装置将低电压电源转换为高电压而获得的电压上驱动放大装置，因此，压电泵的压电元件可以由从电子设备的低电压电源中产生的高电压来驱动，使得能够增加压电元件位移量且增加泵的流速。
正弦波振荡装置根据来自用于在激励电源时控制频率的第一控制装置的信号，来扫描频率，用以从泵室排出残留在压电泵泵室的气泡，因此，可以平稳地启动液体的循环。
由第二控制装置根据温度感测装置所感测的要冷却的电子元件的温度水平，来调节电压升压装置的输出电压，因此可以减少不必要的功率消耗。
最后，放大装置包括D类放大器和用于在放大后解调信号的低通滤波器，因此，可以由具有低功率损耗的正弦波来驱动放大装置。
发明的效果
作为本发明的第一个效果，压电泵的驱动波形是正弦波，因此，压电泵可以随着冷却设备实现无噪声的工作，不会从压电泵中产生不希望的振动噪声。
作为第二个效果，当在泵的泵室中存在气泡时，在激励时排出了这些气泡，因此，可以解决由于压力不足造成的不能开始液体循环的问题，并且实现可靠的工作。
作为第三个效果，当热发生体没有发热时，可以降低压电泵的压电元件的驱动电压，因此减少了驱动电路的无意义的功率消耗，并抑制了热的生成。
附图说明
图1是示出了现有技术的实例配置的框图。
图2是示出了现有技术的实例配置的框图。
图3是示出了现有技术的实例工作的波形图。
图4是示出了本发明实施例的配置的框图。
图5是示出了本发明实施例的配置的框图。
图6是示出了本发明实施例的工作的波形图。
图7是示出了本发明实施例的实例的波形图。
图8是示出了本发明实施例的配置的框图；以及
图9是示出了本发明实施例的工作的波形图。
参考数字解释
1 压电元件
2 放大器
2a 第一解调器
2b 第二解调器
3 正弦波振荡器
4 电源
5 电压升压转换器
6 温度传感器
7 电压检测电路
8 第一控制电路
9 第二控制电路
11 振荡器
12 调制器
13 解调器
13a 第一解调器
13b 第二解调器
14 分频器
15 非电路
16 第一与电路
17 第二与电路
20 D类放大器
21 解调器
22 开关单元
22a 第一开关
22b 第二开关
22c 第三开关
22d 第四开关
23 低通滤波器
23a 第一电感器
23b 第一电容器
23c 第二电感器
23d 第二电容器
24a 第一反相电路
24b 第二反相电路
具体实施方式
接下来参考附图对本发明实施例的细节进行解释。
图4给出了根据本发明的压电泵驱动电路的第一实施例配置的示意框图，图5是更详细的框图。
如图4所示，本实施例由压电元件1、放大器2、正弦波振荡器3、电源4、电压升压转换器5、温度传感器6、电压检测电路7、第一控制电路8和第二控制电路9组成。
驱动压电泵(未示出)的压电元件1由放大器2驱动，其中，放大器2取正弦波振荡器3中产生的正弦波信号作为输入。此外，在利用电压升压转换器5从低电压电源4转换到高电压所获得的电压上驱动放大器2。结果，压电元件1由高电压正弦波电压驱动。
根据来自两个控制电路的信号来控制正弦波振荡器3的频率或幅度。第一控制电路8利用电压检测电路7来检测电源4的输入，并在激励时调节正弦波振荡器3的频率。第二控制电路9既根据来自感测热发生体温度的温度传感器6的信号，来调节正弦波振荡器3的幅度，又根据热发生体的温度，通过调节电压升压转换器5的输出电压，来调节压电元件1的驱动电压。
图5示出了使用高电压放大器作为放大器2的本发明第一实施例的压电泵驱动电路的框图，下面参考图5对驱动电路的细节进行描述。尽管基本配置和图4一样，然而放大器2需要正和负高电压，并因此电压升压转换器5被配置为能够进行正和负电压输出。
从正弦波振荡器3作为输出提供的信号被施加到放大器2，并且幅度被放大为与放大器2的电源电压一致的高正弦波电压。正弦波电压被施加到压电元件1的电极两端，用以驱动压电元件1。在这种情况下，放大器2的电源是由电压升压转换器5从通常用于电子装备的例如5V或12V的低电压电源4产生的高电压。例如，为了在100V的交流电上驱动压电元件1，由在电源升压转换器5中被转换到280V(±140V)直流电的±140V来驱动放大器2。
在激励时，电源4的输入被电压检测电路7感测到并被报告给第一控制电路8。利用该通知，在第一控制电路8处识别出功率输入，并且正弦波振荡器3的频率改变为固定时间间隔。
图6示出了在激励时施加到压电元件1上的工作波形的定时图。
在图6中，在激励电源时，压电元件1首先工作在频率f1上，然后工作在比f1高的频率f2上，然后工作在比f2高的频率f3上。压电元件1接下来工作在连续减少到f2和f1的频率上。上述工作持续几秒钟的时间间隔。当按照这种方式改变频率时，在高频期间聚集在泵室中的任意气泡都被驱散并由泵内高频压力的改变分成更小的气泡。当接下来在低频驱动泵时，泵中的回动止杆阀(reverse stop valve)的动作变得更慢，并且从泵中排出细小的气泡。
因此，在上述实施例中，能够通过在激励时改变频率来排出聚集在泵内的气泡。因此可以消除由于气泡对压力的吸收而产生的从泵施加到液体上的压力的减少，从而解决了由于压力不足而不能循环液体的问题，并因此可以可靠地开始工作。在上述实施例中，描述了分三步改变频率的情况，但是如果在更多步上改变频率，这种方法显然将会更加有效。此外，每个频率的驱动时间间隔可以是等间隔的，或者可以是每个频率都具有不同的驱动时间间隔。
此外，在本实施例中，设置了第二控制电路9，用于根据感测热发生体温度的温度传感器6产生的信号，来调节电压升压转换器5的输出电压和调节正弦波振荡器3的信号幅度。结果，当热发生体不发热的时候，通过降低压电泵的驱动功率，能够减少功率消耗。
图7示出了热发生体的温度和在这些温度时施加到压电元件1上的电压波形的时间图。
如图7所示，第二控制电路9在温度高时增加施加到压电元件1的电压幅度，并且随着温度降低而降低电压幅度。可以在第二控制电路9中通过同时改变电压升压转换器5的输出电压和正弦波振荡器3的幅度来实现对电压幅度值的控制。
接下来给出本发明的第二实施例的解释。
该实施例的基本配置和第一实施例的配置相似，但是使用通常在音频应用中应用的D类放大器作为放大器。图8示出了第二实施例的配置。
在图8中：20是D类放大器；21是PWM调制器；22是输出开关单元；22a、22b、22c和22d分别是第一开关、第二开关、第三开关和第四开关；23是低通滤波器；23a是第一电感器；23b是第一电容器；23c是第二电感器；23d是第二电容器；24a是第一反相电路；24b是第二反相电路。此外，与第一实施例中的元件相同的组成元件被赋予相同的参考数字，并因此此处省略了重复的解释。
在本实施例中，D类放大器20被用作放大器2。从正弦波振荡器3作为输出提供的信号在PWM调制器21中与高频三角波进行比较，两者之间的大小关系被作为二元信号方波脉冲信号提供。这时，调制器21的输出信号被分为两路输出，即输入正弦波信号的正极和负极。利用该脉冲信号，在由第一开关22a、第二开关22b、第三开关22c和第四开关22d组成的开关单元22内，具有较小失真的基本上为正弦波的交流电压被放大为高电压脉冲信号，并且在低通滤波器23中去除了高频成分，并被施加到压电元件1的电极两端，用以驱动压电元件1。
图9示出了图8中点a、b、c、d和e处的信号波形和施加到压电元件上的信号波形。
如图9(a)所示，点a处的信号是在正弦波振荡器3处产生的信号，并具有与用于驱动压电元件1的频率相同的频率。如图9(b)所示，点b处的信号是脉冲信号，它是在第三开关22c和第四开关22d处于OFF的状态下由第一开关22a和第二开关22b在ON和OFF之间的重复交替而产生的。如图9(c)所示，点c处的信号是相对于图9(b)所示信号有180°相移的信号。在这种情况下，在第一开关22a和第二开关22b处于OFF状态下，第三开关22c和第四开关22d在ON和OFF之间重复交替。如图9(d)-(e)所示，通过低通滤波器23滤掉高频成分，将正弦波电压施加到压电元件1的端子两端。
在这种情况下，图9(b)和图9(c)之间的差动电压被作为电压施加到压电元件1的端子两端，并且因此用于给D类放大器20供电的电压升压转换器5的输出电压能够被限制在较低电平。这意味着电压升压转换器5的输出电压仅仅是图5所示第一实施例的一半，从而可以将具有更低耐压的组件用作电压升压转换器5的部件，并且可以使该组件做得更小。例如，为了通过100V的交流电来驱动压电元件1，电压升压转换器5的输出电压可以是大约140V的直流电。
因此，在本实施例中采用D类放大器20作为放大器2使得能够减少开关单元22的功率损耗，并且能够进行低功率消耗的工作，还可以限制电压升压转换器5的输出电压，并因此获得了能够使组件小型化的效果。
如上所述，本发明的压电泵驱动电路被用于例如电子仪器的冷却系统中；本发明包括一种冷却系统，所述冷却系统具有：在上述每个实施例中示出的压电泵驱动电路；与热发生体接触的散热器；向外辐射热的辐射器；冷却剂循环通道，被连接使得冷却剂在散热器和辐射器之间循环；以及压电泵，由所述压电泵驱动电路驱动，用于使冷却剂在所述冷却剂循环通道中循环。
作为本发明的应用，本发明能够被用于用作例如笔记本电脑的移动装备的冷却设备的压电泵驱动电路中。
Claims (5)
1.一种压电泵驱动电路，包括：
正弦波振荡装置，用于产生驱动压电泵的压电元件的频率的正弦波信号；
电压升压装置，用于将低电压电源转换为高电压；以及
放大装置，由所述电压升压装置所产生的高电压驱动，用于放大从所述正弦波振荡装置作为输出提供的信号，并且用于通过高电压正弦波来驱动所述压电元件；
其中，所述放大装置包括：D类放大器，由所述电压升压装置产生的高电压来驱动，用于使从所述正弦波振荡装置作为输出提供的信号经过脉宽调制，来实现放大；以及低通滤波器，用于解调所述D类放大器的输出信号。
2.根据权利要求1所述的压电泵驱动电路，其中提供了
控制装置，用于在激励所述正弦波振荡装置时，实现可变频率控制。
3.根据权利要求1所述的压电泵驱动电路，其中提供了：
温度感测装置，用于感测温度；以及
控制装置，用于根据所述温度感测装置感测到的温度来调节所述正弦波振荡装置的信号幅度。
4.根据权利要求1所述的压电泵驱动电路，其中提供了以下装置：
第一控制装置，用于在激励所述正弦波振荡装置时，实现可变频率控制；
温度感测装置，用于感测温度；以及
第二控制装置，用于根据所述温度感测装置感测到的温度来调节所述正弦波振荡装置的信号幅度。
5.一种冷却系统，包括：
根据权利要求1-4之一所述的压电泵驱动电路；
与热发生体接触的散热器；
向外辐射热的辐射器；
冷却剂循环通道，被连接使得冷却剂在所述散热器和所述辐射器之间循环；以及
压电泵，由所述压电泵驱动电路驱动，用于使冷却剂在所述冷却剂循环通道中循环。
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